RU149831U1

RU149831U1 - ULTRASONIC FLOW REACTOR

Info

Publication number: RU149831U1
Application number: RU2013150068/05U
Authority: RU
Inventors: Борис Анатольевич Кандалинцев; Александр Егорович Шестовских; Юрий Евгеньевич Архипов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "РЭЛТЕК"
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-01-20

Abstract

1. Реактор ультразвуковой проточный, содержащий рабочую камеру в виде трубы прямоугольного сечения с входным и выходным патрубками, закрепленными на торцах трубы, ультразвуковые преобразователи, закрепленные снаружи на двух противоположных стенках рабочей камеры, отличающийся тем, что расстояние между стенками рабочей камеры, на которых закреплены ультразвуковые преобразователи, равно λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, при этом ультразвуковые преобразователи закреплены вдоль противоположных стенок камеры на их серединных линиях попарно соосно, при этом попарно закрепленные ультразвуковые преобразователи идентичны и подключены синфазно.2. Реактор ультразвуковой проточный по п.1, отличающийся тем, что каждая пара соосно закрепленных ультразвуковых преобразователей подключена синфазно с соседней парой.3. Реактор ультразвуковой проточный по п.1, отличающийся тем, что каждая пара соосно закрепленных ультразвуковых преобразователей подключена в противофазе с соседней парой.1. Ultrasonic flow reactor containing a working chamber in the form of a rectangular pipe with inlet and outlet nozzles mounted on the ends of the pipe, ultrasonic transducers mounted externally on two opposite walls of the working chamber, characterized in that the distance between the walls of the working chamber, on which are fixed ultrasonic transducers, equal to λ / 2, where λ is the wavelength of ultrasonic vibrations in the processed liquid medium, while the ultrasonic transducers are fixed along the opposite of the chamber walls on their midlines are pairwise coaxial, while the pairwise mounted ultrasonic transducers are identical and connected in phase. 2. An ultrasonic flow reactor according to claim 1, characterized in that each pair of coaxially mounted ultrasonic transducers is connected in phase with an adjacent pair. An ultrasonic flow reactor according to claim 1, characterized in that each pair of coaxially mounted ultrasonic transducers is connected in antiphase with an adjacent pair.

Description

Полезная модель относится к смешиванию жидкостей и может быть использована для обработки жидких сред, а именно: для диспергирования, эмульгирования, гомогенизации.The utility model relates to the mixing of liquids and can be used to process liquid media, namely: for dispersion, emulsification, homogenization.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для диспергирования твердого материала в жидкости (патент US №4071225, B01F 13/00, публ. 31.01.78), включающее рабочую камеру в виде трубы прямоугольного сечения, расположенную вертикально, соответственно с нижним и верхним отверстиями для прокачки через нее диспергирующей жидкости (жидкой среды); плоские ультразвуковые преобразователи, расположенные на двух противоположных стенках рабочей камеры; емкость для жидкой среды и средства для подачи ее из емкости в рабочую камеру снизу вверх под давлением и для обеспечения циркуляции ее через рабочую камеру и емкость по замкнутой цепи.Closest to the proposed is a device for dispersing solid material in a liquid (US patent No. 4071225, B01F 13/00, publ. 01/31/78), including a working chamber in the form of a pipe of rectangular cross section, located vertically, respectively, with the lower and upper holes for pumping through it dispersing liquid (liquid medium); flat ultrasonic transducers located on two opposite walls of the working chamber; a tank for a liquid medium and means for supplying it from the tank to the working chamber from the bottom up under pressure and to ensure its circulation through the working chamber and the tank in a closed circuit.

Прямоугольное сечение рабочей камеры таково, что расстояние (зазор) между ее стенками, на которых расположены ультразвуковые преобразователи, намного меньше, чем длина этих стенок. Величина зазора выбирается такой, что при возбуждении ультразвукового поля происходит многократное отражение волн от стенок камеры, за счет чего в ней создается требуемая интенсивность ультразвукового поля. При этом, поскольку отражение волн происходит от колеблющихся поверхностей, то отраженные волны движутся с периодически меняющимися частотами, что исключает возможность образования стоячих волн. Реальная величина зазора в этой конструкции не превышает 25 мм, а предпочтительно - еще меньше, 6-1,5 мм.The rectangular cross section of the working chamber is such that the distance (gap) between its walls, on which the ultrasonic transducers are located, is much smaller than the length of these walls. The gap value is chosen such that upon excitation of the ultrasonic field there is multiple reflection of waves from the walls of the chamber, due to which the required intensity of the ultrasonic field is created in it. Moreover, since the reflection of waves comes from oscillating surfaces, the reflected waves move with periodically changing frequencies, which excludes the possibility of the formation of standing waves. The actual gap in this design does not exceed 25 mm, and preferably even less, 6-1.5 mm.

Недостаток известного реактора состоит в следующем. В известном реакторе требуемая интенсивность ультразвукового поля при возбуждении ультразвукового поля достигается за счет многократного отражения от стенок камеры бегущих волн, формируемых ультразвуковыми преобразователями, что ведет к потере энергии ультразвуковых колебаний, снижает их эффективность использования, производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока.A disadvantage of the known reactor is as follows. In the known reactor, the required intensity of the ultrasonic field upon excitation of the ultrasonic field is achieved by repeatedly reflecting traveling waves generated by ultrasonic transducers from the chamber walls, which leads to the loss of energy of ultrasonic vibrations, reduces their efficiency, processing productivity and the degree of impact on fluid process media in the mode continuous flow.

Кроме того, поперечный размер рабочей камеры задан без привязки к длине волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, т.е. без привязки к конкретной обрабатываемой жидкой среде. При этом эффективность обработки возрастает с уменьшением поперечного размера рабочей камеры. В результате снижается эффективность использования энергии ультразвуковых колебаний, а также производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока.In addition, the transverse size of the working chamber is set without reference to the wavelength of ultrasonic vibrations in the processed liquid medium, i.e. without reference to the specific processed liquid medium. Moreover, the processing efficiency increases with a decrease in the transverse size of the working chamber. As a result, the energy use efficiency of ultrasonic vibrations is reduced, as well as processing productivity and the degree of impact on fluid process media in a continuous flow mode.

Использование в известном реакторе бегущей звуковой волны для создания звукового давления, а также размещение ультразвуковых преобразователей таким образом, что исключает возможность образования стоячих звуковых волн, которые формируют локальные зоны акустического давления, исключает возможность формирования внутри камеры в жидкой среде областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью, а также исключает возможность изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора.The use of a traveling sound wave in a known reactor to create sound pressure, as well as the placement of ultrasonic transducers in such a way that eliminates the possibility of the formation of standing sound waves that form local zones of acoustic pressure, excludes the possibility of forming cavitation areas with controlled cavitation activity inside the chamber in a liquid medium, and also eliminates the possibility of changing their location in the space of the working volume of the reactor chamber.

Таким образом, выявленный в процессе патентного поиска, наиболее близкий к предлагаемому, реактор ультразвуковой проточный, при осуществлении не позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности формирования областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью и в возможности изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора, в повышении эффективности использования энергии ультразвуковых колебаний, в повышении интенсивности ультразвукового воздействия в рабочем объеме камеры реактора и в увеличении производительности обработки и степени воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без изменения размеров участка ультразвукового воздействия.Thus, the ultrasonic flow reactor detected during the patent search process, which is closest to the proposed one, does not allow achieving the technical result when it is possible to form cavitation areas with controlled cavitation activity and the possibility of changing their location in the working volume of the reactor chamber, in increasing the efficiency of using the energy of ultrasonic vibrations, increasing the intensity of ultrasonic exposure in the working volume of the chamber p factor in the increase in processing productivity and the degree of impact on process fluids in a continuous flow mode without changing the size of the ultrasonic exposure section.

Предлагаемая полезная модель решает задачу создания ультразвукового реактора проточного, осуществление которого позволяет достичь технического результата при обработке текучих сред в режиме непрерывного потока, заключающегося в возможности формирования областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью и в возможности изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора, в повышении эффективности использования энергии ультразвуковых колебаний, в повышении интенсивности ультразвукового воздействия в рабочем объеме камеры реактора и в увеличении производительности обработки и степени воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без изменения размеров участка ультразвукового воздействия.The proposed utility model solves the problem of creating an ultrasonic flow reactor, the implementation of which allows to achieve a technical result in the processing of fluids in a continuous flow mode, which consists in the possibility of forming cavitation areas with controlled cavitation activity and in the possibility of changing their location in the space of the working volume of the reactor chamber, increasing energy efficiency of ultrasonic vibrations, in increasing the intensity of ultrasonic exposure in the working volume of the reactor chamber and in increasing the processing productivity and the degree of impact on fluid process media in a continuous flow mode without changing the size of the ultrasonic exposure section.

Сущность полезной модели заключается в том, что в реакторе ультразвуковом проточном, содержащем рабочую камеру в виде трубы прямоугольного сечения с входным и выходным патрубками, закрепленными на торцах трубы, ультразвуковые преобразователи, закрепленные снаружи на двух противоположных стенках рабочей камеры, новым является то, что расстояние между стенками рабочей камеры, на которых закреплены ультразвуковые преобразователи, равно λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, при этом ультразвуковые преобразователи закреплены вдоль противоположных стенок камеры на их серединных линиях попарно соосно, при этом попарно закрепленные ультразвуковые преобразователи идентичны и подключены синфазно, а по серединным линиям ультразвуковые преобразователи подключены в заданном порядке.The essence of the utility model is that in an ultrasonic flow reactor containing a working chamber in the form of a rectangular tube with inlet and outlet nozzles fixed at the ends of the pipe, ultrasonic transducers mounted externally on two opposite walls of the working chamber, new is that the distance between the walls of the working chamber, on which the ultrasonic transducers are mounted, is equal to λ / 2, where λ is the wavelength of ultrasonic vibrations in the treated liquid medium, while transducers mounted along opposing chamber walls in their middle lines in pairs coaxially, the ultrasonic transducers are attached in pairs are identical and are connected in phase, and on the middle lines of the ultrasonic transducers are connected in a predetermined order.

Технический результат достигается следующим образом. Существенные признаки полезной модели: «Реактор ультразвуковой проточный, содержащий рабочую камеру в виде трубы прямоугольного сечения с входным и выходным патрубками, закрепленными на торцах трубы, ультразвуковые преобразователи, закрепленные снаружи на двух противоположных стенках рабочей камеры, являются неотъемлемой частью заявленного устройства и обеспечивают его работоспособность, а, следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.The technical result is achieved as follows. Salient features of the utility model: “An ultrasonic flow reactor containing a working chamber in the form of a rectangular pipe with inlet and outlet nozzles mounted on the ends of the pipe, ultrasonic transducers mounted externally on two opposite walls of the working chamber are an integral part of the claimed device and ensure its operability , and, therefore, ensure the achievement of the claimed technical result.

В заявленном реакторе ультразвуковые преобразователи закреплены на наружной поверхности стенок рабочей камеры и акустически связаны с ними, что обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний в рабочий объем камеры через ее стенку.In the claimed reactor, ultrasonic transducers are mounted on the outer surface of the walls of the working chamber and are acoustically connected with them, which ensures the transmission of ultrasonic vibrations into the working volume of the chamber through its wall.

В заявленном реакторе преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, имеют общую осевую линию, в результе чего формируемые ими звуковые волны распространяются навстречу друг другу по общей осевой, что приводит к возникновению внутри обрабатываемой жидкой среды стоячей звуковой волны. При этом, поскольку расстояние между стенками рабочей камеры, на которых закреплены ультразвуковые преобразователи, равно λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, то расстояние до преграды равно четному числу четвертей падающей и отраженной волн, что обеспечивает максимальную амплитуду результирующей стоячей звуковой волны («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37). При этом, поскольку преобразователи закреплены на противоположных стенках камеры попарно соосно и подключены синфазно, то звуковые и отраженные волны, формируемые каждой парой преобразователей, складываются, что, в результате выполнения преобразователей в паре идентичными, фактически удваивает амплитуду результирующей стоячей звуковой волны.In the claimed reactor, the transducers mounted on opposite walls of the chamber have a common axial line, as a result of which the sound waves they form propagate towards each other along the common axial line, which leads to the appearance of a standing sound wave inside the processed liquid medium. Moreover, since the distance between the walls of the working chamber on which the ultrasonic transducers are mounted is λ / 2, where λ is the wavelength of ultrasonic vibrations in the processed liquid medium, the distance to the obstacle is equal to an even number of quarters of the incident and reflected waves, which ensures maximum amplitude the resulting standing sound wave ("Ultrasonic technology" under the editorship of Doctor of Technical Sciences. Prof. VA Agranat, M .: "Metallurgy", 1974, p. 37). Moreover, since the transducers are mounted on opposite walls of the chamber in pairs coaxially and in-phase, the sound and reflected waves generated by each pair of transducers add up, which, as a result of the transformers being paired, is identical, in fact doubles the amplitude of the resulting standing sound wave.

В стоячей волне точки, в которых результирующая амплитуда колебаний частиц среды обращается в нуль, называются узлами, а точки с максимальной амплитудой - пучностями. Известно (там же с. 37-41), что в стоячей волне расстояние между двумя соседними узлами или пучностями равно половине длины волны. Поскольку расстояние между стенками камеры равно λ/2, то стоячая звуковая волна, формируемая внутри камеры парой преобразователей, имеет две пучности, каждая вблизи стенок камеры, на которых закреплены преобразователи, и узел, отстоящий на λ/4 от этих стенок камеры, т.е. расположенный на осевой линии рабочей камеры реактора.In a standing wave, points at which the resulting amplitude of the oscillations of the particles of the medium vanishes are called nodes, and points with a maximum amplitude are called antinodes. It is known (ibid. P. 37-41) that in a standing wave the distance between two adjacent nodes or antinodes is equal to half the wavelength. Since the distance between the walls of the chamber is equal to λ / 2, the standing sound wave generated inside the chamber by a pair of transducers has two antinodes, each near the walls of the chamber on which the transducers are mounted, and a unit spaced λ / 4 from these chamber walls, t. e. located on the axial line of the working chamber of the reactor.

В стоячей звуковой волне пучности звукового давления возникают в узлах волны, а узлы звукового давления возникают в пучностях стоячей звуковой волны. При этом максимальное звуковое давление соответствует переходу стоячей звуковой волны из области отрицательных значений амплитуд в положительную, а минимальное - переходу стоячей волны из области положительных значений в отрицательную («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37-41). Соответственно в заявленном реакторе звуковое давление, создаваемое в соответствующем сечении рабочей камеры звуковыми стоячими волнами от каждой пары преобразователей, имеет нулевые значения вблизи стенок камеры, на которых закреплены преобразователи, и максимальное положительное значение - на расстоянии λ/4 от этих стенок камеры, т.е. в узле стоячей звуковой волны. В результате внутри объема камеры реактора вдоль ее осевой линии в соответствующем сечении каждая пара преобразователей формирует единичную зону локального повышенного звукового давления, симметричную относительно осевой линии рабочей камеры. При этом, так как расстояние между стенками рабочей камеры, на которых закреплены ультразвуковые преобразователи, равно λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, это позволяет не только учесть свойства обрабатываемой жидкой среды, но, как показано выше, обеспечивает максимальную амплитуду результирующей стоячей звуковой волны, а, следовательно, и максимальное значение звукового давления для конкретной обрабатываемой жидкой среды, а, следовательно, повышает эффективность использования энергии ультразвуковых колебаний.In a standing sound wave, antinodes of sound pressure arise in the nodes of the wave, and nodes of sound pressure arise in the antinodes of the standing sound wave. In this case, the maximum sound pressure corresponds to the transition of the standing sound wave from the region of negative amplitudes to positive, and the minimum corresponds to the transition of the standing wave from the region of positive values to negative (Ultrasound Technology, edited by Doctor of Technical Sciences, Professor V. A. Agranat , M .: "Metallurgy", 1974, S. 37-41). Accordingly, in the claimed reactor, the sound pressure generated in the corresponding section of the working chamber by sound standing waves from each pair of transducers has zero values near the chamber walls on which the transducers are mounted, and the maximum positive value is at a distance of λ / 4 from these chamber walls, t. e. in a node of a standing sound wave. As a result, within the volume of the reactor chamber along its axial line in the corresponding section, each pair of transducers forms a single zone of local increased sound pressure symmetrical with respect to the axial line of the working chamber. Moreover, since the distance between the walls of the working chamber on which the ultrasonic transducers are mounted is λ / 2, where λ is the wavelength of ultrasonic vibrations in the processed liquid medium, this allows not only to take into account the properties of the processed liquid medium, but, as shown above, provides the maximum amplitude of the resulting standing sound wave, and, consequently, the maximum value of sound pressure for a particular liquid medium being processed, and, therefore, increases the energy efficiency of ultra sound vibrations.

Поскольку ультразвуковые преобразователи попарно соосно закреплены снаружи на двух противоположных стенках рабочей камеры вдоль стенок камеры на их серединных линиях, то для случая, когда все ультразвуковые преобразователи включены синфазно с положительной фазой подключения, единичные локальные зоны звукового давления, формируемые в соответствующем поперечном сечении рабочей камеры, каждой парой преобразователей, располагаются вдоль оси рабочей камеры, образуя вдоль оси камеры рабочую локальную зону повышенного звукового давления. При этом, поскольку преобразователи в паре идентичны, а, как показано выше, при идентичном выполнении преобразователей в паре фактически удваивается амплитуда формируемой ими стоячей звуковой волны, то и звуковое давление в ее узле также удваивается. Таким образом, в заявленном реакторе, звуковое давление, формируемое каждой парой преобразователей, в единичных локальных областях повышенного звукового давления практически в два раза выше, формируемого одним ультразвуковым преобразователем.Since the ultrasonic transducers are paired coaxially mounted externally on two opposite walls of the working chamber along the walls of the chamber on their midlines, for the case when all the ultrasonic transducers are switched in phase with a positive connection phase, the individual local sound pressure zones formed in the corresponding cross section of the working chamber, each pair of transducers are located along the axis of the working chamber, forming along the axis of the chamber a working local zone of increased sound pressure . Moreover, since the transducers in a pair are identical, and, as shown above, with the identical design of the transducers in a pair, the amplitude of the standing sound wave generated by them doubles, the sound pressure in its node also doubles. Thus, in the claimed reactor, the sound pressure generated by each pair of transducers, in single local areas of increased sound pressure is almost two times higher than that generated by one ultrasonic transducer.

Для случая, когда в заданном порядке часть ультразвуковых преобразователей по серединным линиям подключены противофазно, относительно соседних, т.е. парные преобразователи подключены в противофазе с соседней парой, единичные локальные зоны звукового давления, формируемые в соответствующем поперечном сечении рабочей камеры каждой парой преобразователей, имеют зеркальное отражение, по отношению к единичной локальной зоне, формируемой соседней подключенной в противофазе парой преобразователей. При этом, поскольку максимальное звуковое давление соответствует переходу стоячей звуковой волны из области отрицательных значений амплитуд в положительную, а минимальное - переходу стоячей волны из области положительных значений в отрицательную («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37-41), то при подключении преобразователей синфазно с положительной фазой подключения в узле стоячей звуковой волны формируется максимальное положительное значение звукового давления. При подключении преобразователей синфазно с отрицательной фазой подключения в узле стоячей звуковой волны формируется максимальное отрицательное значение звукового давления.For the case when, in the prescribed order, part of the ultrasonic transducers in the midlines are connected out of phase with respect to neighboring ones, i.e. paired transducers are connected in antiphase with an adjacent pair, single local sound pressure zones formed in the corresponding cross section of the working chamber by each pair of transducers are mirrored in relation to a single local zone formed by an adjacent pair of transducers in antiphase. Moreover, since the maximum sound pressure corresponds to the transition of a standing sound wave from the region of negative amplitudes to positive, and the minimum corresponds to the transition of a standing wave from the region of positive values to negative (Ultrasound Technology, edited by Dr. V.A. Agranata, M.: Metallurgy, 1974, p. 37-41), when connecting the converters in phase with the positive phase of the connection in the node of a standing sound wave, the maximum positive value of sound pressure is formed. When connecting the transducers in phase with the negative phase of the connection, a maximum negative sound pressure value is formed in the node of the standing sound wave.

В результате, вдоль оси камеры реактора из единичных локальных зон звукового давления формируется рабочая локальная зона звукового давления, которая, в зависимости от порядка фазового подключения преобразователей, имеет положительные и отрицательные значения звукового давления, а, следовательно, имеет зоны повышенного звукового давления и зоны разряжения.As a result, along the axis of the reactor chamber, a working local sound pressure zone is formed from single local sound pressure zones, which, depending on the phase connection of the transducers, has positive and negative sound pressure values, and therefore has zones of increased sound pressure and rarefaction zones .

При выполнении всех преобразователей идентичными по мощности излучения рабочая локальная зона звукового давления имеет одинаковые по модулю значения звукового давления вдоль всей оси рабочей камеры. Если пары преобразователей имеют отличающиеся показатели по мощности излучения, то рабочая зона локального звукового давления имеет изменяющиеся вдоль оси камеры положительные и отрицательные значения звукового давления.When all converters are identical in radiation power, the working local sound pressure zone has the same absolute value of sound pressure along the entire axis of the working chamber. If the pairs of transducers have different indicators in terms of radiation power, then the working area of the local sound pressure has positive and negative values of sound pressure varying along the camera axis.

Из вышеизложенного следует, что заявленный ультразвуковой проточный реактор можно отнести к системам, концентрирующим (фокусирующим) звуковую энергию в определенной области рабочего пространства камеры. Известно, что в таких системах в обрабатываемой жидкой среде кавитация возникает, прежде всего, в фокальном пятне, где уровень звукового давления наибольший (там же, с. 186). Кроме того, известно, что области кавитации в жидкой среде совпадают с максимумом звукового давления, создаваемого преобразователем стоячей звуковой волной (там же, с. 199). Предлагаемое выполнение заявленного реактора позволяет формировать внутри рабочего объема камеры в поперечном сечении вдоль ее осевой единичные локальные области максимального звукового давления и управлять их формированием, что обеспечивает не только выполнение выше изложенных условий возникновения кавитации, но и обуславливает возникновение области кавитации в конкретной зоне рабочей камеры, причем с заранее заданной кавитационной активностью. Кроме того, из вышеизложенного следует, что в заявленном реакторе звуковое давление в формируемых единичных локальных областях повышенного звукового давления практически в два раза выше формируемого одним ультразвуковым преобразователем, что соответственно позволяет увеличить кавитационную активность в формируемых зонах кавитации при тех же энергетических параметрах преобразователей. Из литературы известно, что увеличение звукового давления в 2 раза в указанной локальной зоне увеличивает интенсивность звуковых колебаний в 4 раза:

, где

- амплитуда акустического давления («Ультразвуковая технология» под ред. докт.техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 23).From the above it follows that the claimed ultrasonic flow reactor can be attributed to systems concentrating (focusing) sound energy in a certain area of the working space of the chamber. It is known that in such systems in the processed liquid medium, cavitation occurs primarily in the focal spot, where the sound pressure level is the highest (ibid., P. 186). In addition, it is known that the cavitation regions in a liquid medium coincide with the maximum sound pressure created by the transducer with a standing sound wave (ibid., P. 199). The proposed implementation of the claimed reactor allows the formation inside the working volume of the chamber in cross section along its axial unit local local areas of maximum sound pressure and control their formation, which ensures not only the fulfillment of the above conditions for the occurrence of cavitation, but also determines the occurrence of the cavitation area in a specific area of the working chamber, moreover, with a predetermined cavitation activity. In addition, from the foregoing, it follows that in the claimed reactor, the sound pressure in the formed single local areas of increased sound pressure is almost two times higher than that generated by one ultrasonic transducer, which accordingly allows to increase cavitation activity in the formed cavitation zones at the same energy parameters of the transducers. From the literature it is known that a 2-fold increase in sound pressure in the specified local zone increases the intensity of sound vibrations by 4 times:

where

- the amplitude of the acoustic pressure ("Ultrasonic technology" under the editorship of Doctor of Technical Sciences, Professor V. A. Agranat, M .: "Metallurgy", 1974, p. 23).

Таким образом, заявленный ультразвуковой проточный реактор путем возможности управляемого формирования упорядоченных зон с изменяющимися значениями акустического давления позволяет внутри рабочего объема камеры реактора вдоль ее оси формировать локальную область кавитации с кавитационной активностью, соответствующей этим значениям. При этом возможность увеличения в 2 раза звукового давления в рабочей локальной зоне увеличивает интенсивность звуковых колебаний в 4 раза, а, следовательно, увеличивает в 4 раза интенсивность кавитационных процессов. Причем наличие в заявленном реакторе четко выделенной зоны звукового давления обуславливает четкое пространственное расположение области кавитации. Кроме того, подключение по серединным линиям ультразвуковых преобразователей в заданном порядке и выполнение пар ультразвуковых преобразователей, отличающимися друг от друга по мощности излучения, обеспечивает возможность задания, причем в требуемом порядке, значения звукового давлении в рабочей локальной зоне, причем с требуемым знаком, а, следовательно формировать или область с повышенным звуковым давлением или область разряжения. Это позволяет управлять картиной распределения зон звукового давления в пространстве рабочего объема камеры реактора, а, следовательно, управлять интенсивностью процесса кавитации в рабочей локальной зоне звукового давления, и как следствие, позволяет задавать режим обработки жидкой среды при ее прохождении через камеру реактора.Thus, the claimed ultrasonic flow reactor by the possibility of controlled formation of ordered zones with varying values of acoustic pressure allows the local cavitation region with cavitation activity corresponding to these values to be formed inside the working volume of the reactor chamber along its axis. Moreover, the possibility of a 2-fold increase in sound pressure in the working local zone increases the intensity of sound vibrations by 4 times, and, therefore, increases by 4 times the intensity of cavitation processes. Moreover, the presence in the claimed reactor of a clearly distinguished zone of sound pressure determines a clear spatial arrangement of the cavitation area. In addition, connecting along the middle lines of the ultrasonic transducers in the specified order and performing pairs of ultrasonic transducers that differ from each other in radiation power, makes it possible to set, in the required order, the sound pressure values in the working local area, and with the required sign, consequently to form either a region with increased sound pressure or a vacuum region. This allows you to control the distribution pattern of sound pressure zones in the space of the working volume of the reactor chamber, and, therefore, to control the intensity of the cavitation process in the working local sound pressure zone, and as a result, allows you to set the processing mode of the liquid medium when it passes through the reactor chamber.

Из вышеизложенного следует, что заявленный ультразвуковой проточный реактор позволяет формировать область кавитации с регулируемой кавитационной активностью в рабочем объеме рабочей камеры воль ее осевой. Это обеспечивает активную кавитационную обработку всего объема жидкости с повышенным звуковым давлением по всей длине рабочей камеры вдоль ее осевой и позволяет увеличить производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия.From the foregoing, it follows that the claimed ultrasonic flow reactor allows you to form a cavitation area with controlled cavitation activity in the working volume of the working chamber its axial will. This provides active cavitation processing of the entire volume of liquid with increased sound pressure along the entire length of the working chamber along its axial and allows to increase processing productivity and the degree of impact on fluid process media in a continuous flow mode without increasing the size of the ultrasonic impact section.

Таким образом, предлагаемый ультразвуковой реактор проточный при осуществлении обеспечивает достижение технического результата при обработке текучих сред в режиме непрерывного потока, заключающегося в возможности формирования областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью и в возможности изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора, в повышении эффективности использования энергии ультразвуковых колебаний, в повышении интенсивности ультразвукового воздействия в рабочем объеме камеры реактора и в увеличении производительности обработки и степени воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без изменения размеров участка ультразвукового воздействия.Thus, the proposed flow-through ultrasonic reactor during implementation provides a technical result in the processing of fluids in a continuous flow mode, consisting in the possibility of forming cavitation areas with controlled cavitation activity and in the possibility of changing their location in the space of the working volume of the reactor chamber, in increasing the energy efficiency ultrasonic vibrations, in increasing the intensity of ultrasonic exposure in the working volume of the camera and in increasing the productivity of processing and the degree of impact on process fluids in a continuous flow mode without changing the size of the ultrasonic exposure section.

На фиг. 1 изображен фрагмент заявленного ультразвукового реактора проточного; на фиг. 2 - процесс формирования локальной области звукового давления в поперечном сечении камеры реактора одной парой ультразвуковых преобразователей.In FIG. 1 shows a fragment of the claimed flow-through ultrasonic reactor; in FIG. 2 - the process of forming a local region of sound pressure in the cross section of the reactor chamber with one pair of ultrasonic transducers.

Заявленный реактор ультразвуковой проточный содержит рабочую камеру 1 в виде трубы прямоугольного сечения с входным и выходным патрубками (не показано), закрепленными на торцах трубы. Ультразвуковые преобразователи 2n закреплены попарно соосно снаружи на двух противоположных стенках 3, 4 рабочей камеры 1, вдоль стенок 3, 4 камеры 1, на их серединных линиях 5, 6, где n - порядковый номер пары преобразователей, который равен 1, 2, 3… Расстояние между стенками 3, 4 рабочей камеры, на которых закреплены ультразвуковые преобразователи 2n, равно λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде. Попарно закрепленные ультразвуковые преобразователи 2n идентичны. Кроме того, попарно закрепленные ультразвуковые преобразователи идентичны и подключены синфазно, а по серединным линиям ультразвуковые преобразователи подключены в заданном порядке.The claimed ultrasonic flow reactor contains a working chamber 1 in the form of a pipe of rectangular cross section with inlet and outlet pipes (not shown) mounted on the ends of the pipe. Ultrasonic transducers 2n are mounted in pairs coaxially externally on two opposite walls 3, 4 of the working chamber 1, along the walls 3, 4 of the chamber 1, on their middle lines 5, 6, where n is the serial number of the pair of transducers, which is 1, 2, 3 ... The distance between the walls 3, 4 of the working chamber, on which ultrasonic transducers 2n are mounted, is equal to λ / 2, where λ is the wavelength of ultrasonic vibrations in the processed liquid medium. The paired 2n ultrasound transducers are identical. In addition, the pairwise fixed ultrasonic transducers are identical and connected in phase, and the ultrasound transducers are connected in the specified order along the middle lines.

Высота противоположных стенок камеры, на которых закреплены преобразователи, близка к диаметру преобразователя. Этот параметр выбирают опытным путем, так как при малых отличиях диаметра преобразователя от высоты стенки часть энергии акустических колебаний теряется на углах камеры, а при больших - появится часть зоны внутреннего объема камеры, которая обрабатывается недостаточно.The height of the opposite walls of the chamber on which the transducers are mounted is close to the diameter of the transducer. This parameter is chosen empirically, since with small differences in the diameter of the transducer from the height of the wall, part of the energy of acoustic vibrations is lost at the corners of the chamber, and for large ones, a part of the zone of the internal volume of the chamber will appear, which is not processed enough.

Заявленный ультразвуковой реактор проточный работает следующим образом.The claimed ultrasonic flow reactor operates as follows.

В рабочую камеру 1 под давлением подают обрабатываемую текучую технологическую среду (на фиг. 1 не показано).The working fluid 1 is pressurized into the working chamber 1 under pressure (not shown in FIG. 1).

После подключения питания, ультразвуковые преобразователи 2n излучают в обрабатываемую среду звуковые волны. Каждая пара преобразователей 2n, подключенных соосно на серединных линиях 5, 6 противоположных стенок 3 и 4 камеры 1, формирует звуковые волны, которые распространяются навстречу друг другу по общей осевой. Это приводит к образованию соответствующей стоячей звуковой волны внутри обрабатываемой жидкой среды (фиг. 2, формируемые одним преобразователем: 8 - стоячая звуковая волна, 9 - звуковое давление). Поскольку преобразователи 2n в паре идентичны и подключены синфазно, то формируемые ими звуковые и отраженные волны складываются, что примерно удваивает амплитуду результирующей стоячей звуковой волны (фиг. 2, 10).After connecting the power, ultrasonic transducers 2n emit sound waves into the medium. Each pair of transducers 2n, connected coaxially on the midlines 5, 6 of the opposite walls 3 and 4 of the chamber 1, generates sound waves that propagate towards each other along the common axial. This leads to the formation of a corresponding standing sound wave inside the processed liquid medium (Fig. 2, formed by one transducer: 8 - standing sound wave, 9 - sound pressure). Since the converters 2n in a pair are identical and connected in phase, the sound and reflected waves formed by them are added, which approximately doubles the amplitude of the resulting standing sound wave (Fig. 2, 10).

Кроме того, максимальная амплитуда результирующей стоячей волны 9 обеспечивается конструктивно, так как у рабочей камеры 1 расстояние между стенками с закрепленными на них преобразователями составляет λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37).In addition, the maximum amplitude of the resulting standing wave 9 is ensured constructively, since the working chamber 1 has a distance between the walls with transducers mounted on them is λ / 2, where λ is the wavelength of ultrasonic vibrations in the processed liquid medium (Ultrasonic Technology, ed. Doctor of Technical Sciences, Professor V.A. Agranat, Moscow: Metallurgy, 1974, p. 37).

На фиг. 2 видно, что в заявленном реакторе пучности стоячей звуковой волны располагаются вблизи стенок 3, 4 камеры 1, а узел 11 - на расстоянии λ/4, т.е. на осевой линии камеры 1.In FIG. 2 it can be seen that in the claimed reactor, the antinodes of the standing sound wave are located near the walls 3, 4 of the chamber 1, and the node 11 is located at a distance of λ / 4, i.e. on the center line of the camera 1.

Поскольку звуковое давление 9, создаваемое каждым преобразователем 2n в паре, суммируется, то в результате в данном сечении рабочем объеме камеры формируется единичная локальная зона повышенного звукового давления 12, которое превышает примерно в два раза звуковое давление, создаваемое одним преобразователем. При этом единичные локальные зоны 12 звукового давления формируются в поперечных сечениях камеры вдоль ее оси, так как ультразвуковые преобразователи 2n закреплены на серединных линиях стенок 3, 4 камеры 1 параллельных ее продольной оси. В результате вдоль оси камеры образуются рабочая локальная зона повышенного звукового давления, которое также превышает примерно в два раза звуковое давление, создаваемое одним преобразователем.Since the sound pressure 9 created by each transducer 2n in a pair is summed, as a result, in this section the working volume of the chamber forms a single local zone of increased sound pressure 12, which exceeds approximately twice the sound pressure generated by one transducer. In this case, unitary local zones of sound pressure 12 are formed in the cross sections of the chamber along its axis, since the ultrasonic transducers 2n are fixed on the middle lines of the walls 3, 4 of the chamber 1 parallel to its longitudinal axis. As a result, a working local zone of increased sound pressure is formed along the chamber axis, which also approximately doubles the sound pressure generated by one transducer.

При выполнении всех преобразователей идентичными рабочая локальная зона звукового давления имеет одинаковые положительные значения звукового давления вдоль всей оси рабочей камеры. Если пары преобразователей имеют отличающиеся показатели по мощности излучения, то рабочая зона локального звукового давления в камере имеет положительные значения звукового давления, изменяющиеся вдоль оси камеры.When all converters are identical, the working local sound pressure zone has the same positive sound pressure values along the entire axis of the working chamber. If the pairs of transducers have different indicators in terms of radiation power, then the working area of the local sound pressure in the chamber has positive sound pressure values that vary along the axis of the chamber.

Для задания в требуемом порядке значения звукового давлении в рабочей локальной зоне с требуемым знаком выполняют соответствующее подключение ультразвуковых преобразователей по серединным линиям по знакам фазы. При этом, когда в заданном порядке часть ультразвуковых преобразователей по серединным линиям подключены противофазно, относительно соседних, т.е. парные преобразователи подключены в противофазе с соседней парой, единичные локальные зоны звукового давления, формируемые в соответствующем поперечном сечении рабочей камеры каждой парой преобразователей, имеют зеркальное отражение, по отношению к единичной локальной зоне, формируемой соседней подключенной в противофазе парой преобразователей. При этом, поскольку максимальное звуковое давление соответствует переходу стоячей звуковой волны из области отрицательных значений амплитуд в положительную, а минимальное - переходу стоячей волны из области положительных значений в отрицательную («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37-41), то при подключении преобразователей синфазно с положительной фазой подключения в узле стоячей звуковой волны формируется максимальное положительное значение звукового давления. При подключении преобразователей синфазно с отрицательной фазой подключения в узле стоячей звуковой волны формируется максимальное отрицательное значение звукового давления. В результате, вдоль оси камеры реактора из единичных локальных зон звукового давления формируется рабочая локальная зона звукового давления, которая, в зависимости от порядка фазового подключения преобразователей, имеет положительные и отрицательные значения звукового давления, а, следовательно, имеет зоны повышенного звукового давления и зоны разряжения.To set the sound pressure values in the required order in the working local zone with the required sign, the corresponding connection of the ultrasonic transducers is carried out along the middle lines of the phase signs. Moreover, when in a given order, part of the ultrasonic transducers in the midlines are connected out of phase with respect to neighboring ones, i.e. paired transducers are connected in antiphase with an adjacent pair, single local sound pressure zones formed in the corresponding cross section of the working chamber by each pair of transducers are mirrored in relation to a single local zone formed by an adjacent pair of transducers in antiphase. Moreover, since the maximum sound pressure corresponds to the transition of a standing sound wave from the region of negative amplitudes to positive, and the minimum corresponds to the transition of a standing wave from the region of positive values to negative (Ultrasound Technology, edited by Dr. V.A. Agranata, M.: Metallurgy, 1974, p. 37-41), when connecting the converters in phase with the positive phase of the connection in the node of a standing sound wave, the maximum positive value of sound pressure is formed. When connecting the transducers in phase with the negative phase of the connection, a maximum negative sound pressure value is formed in the node of the standing sound wave. As a result, along the axis of the reactor chamber, a working local sound pressure zone is formed from single local sound pressure zones, which, depending on the phase connection of the transducers, has positive and negative sound pressure values, and therefore has zones of increased sound pressure and rarefaction zones .

Из выше изложенного следует, что после подачи питания на ультразвуковые преобразователи в заявленном ультразвуковом проточном реакторе вдоль осевой линии камеры формируется, в общем случае, рабочая локальная зона с областями повышенного акустического давления что, обуславливает возникновение в обрабатываемой жидкой среде кавитации, и с областями разряжения. При этом, поскольку в рабочей локальной зоне повышенного звукового давления значение звукового давления превышает примерно в два раза звуковое давление, создаваемое одним преобразователем, то, как показано выше, увеличение звукового давления в 2 раза в указанной локальной зоне приводит к увеличению в 4 раза интенсивности звуковых колебаний, т.е. увеличивает в 4 раза интенсивность кавитационных процессов. («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 23).From the foregoing it follows that after applying power to the ultrasonic transducers in the claimed ultrasonic flow reactor along the center line of the chamber, in general, a working local zone with areas of increased acoustic pressure is formed, which causes cavitation in the processed liquid medium and with areas of discharge. Moreover, since in the working local zone of increased sound pressure the sound pressure value exceeds approximately twice the sound pressure generated by one transducer, as shown above, a 2-fold increase in sound pressure in the specified local zone leads to a 4-fold increase in sound intensity oscillations, i.e. increases by 4 times the intensity of cavitation processes. ("Ultrasonic Technology" under the editorship of Doctor of Technical Sciences. Prof. V. A. Agranat, Moscow: Metallurgy, 1974, p. 23).

Для задания в требуемом порядке, значений звукового давлении в рабочей локальной зоне звукового давления, пары ультразвуковых преобразователей выполняют отличающимися друг от друга по мощности излучения. Это позволяет управлять картиной зон звукового давления в пространстве рабочего объема камеры реактора, а, следовательно, управлять интенсивностью процесса кавитации в этих зонах, и как следствие, позволяет задавать режим обработки жидкой среды при ее прохождении через камеру реактора.To set in the required order, values of sound pressure in the working local zone of sound pressure, pairs of ultrasonic transducers are performed differing from each other in radiation power. This allows you to control the picture of the sound pressure zones in the space of the working volume of the reactor chamber, and, therefore, to control the intensity of the cavitation process in these zones, and as a result, allows you to set the processing mode of the liquid medium when it passes through the reactor chamber.

Жидкая среда, проходя через рабочую локальную область повышенного звукового давления, подвергается воздействию кавитации. При этом, жидкая среда, проходя через рабочий объем камеры реактора, последовательно подвергается воздействию резко отличающихся друг от друга режимов механического воздействия. В зоне максимального акустического давления, где кавитация наиболее активна, происходит интенсивное разбивание обрабатываемой жидкости на микрочастицы. В зоне разряжения механические связи между частицами жидкой среды ослабевают и происходит их перераспределение. Поскольку обрабатываемая жидкость подается в камеру реактора под давлением, то ее частицы совершают хаотические движения, что способствует более активному перемешиванию обрабатываемой жидкой среды. Так как локальные зоны акустического давления в рабочей камере вдоль ее оси заранее сформированы в заданном порядке, то выше изложенный режим обработки жидкой среды повторяется до получения требуемого результата. В результате обеспечивается равномерная и активная кавитационная обработка всего объема жидкости по всей площади поперечного сечения рабочей камеры, что увеличивает производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия. При этом не требуется повторного возврата в камеру обрабатываемой текучей среды.The liquid medium passing through the working local area of increased sound pressure is exposed to cavitation. In this case, the liquid medium passing through the working volume of the reactor chamber is sequentially exposed to sharply differing modes of mechanical action. In the zone of maximum acoustic pressure, where cavitation is most active, there is an intensive breakdown of the processed fluid into microparticles. In the discharge zone, the mechanical bonds between the particles of the liquid medium weaken and their redistribution occurs. Since the processed liquid is fed into the reactor chamber under pressure, its particles make random movements, which contributes to more active mixing of the processed liquid medium. Since the local zones of acoustic pressure in the working chamber along its axis are pre-formed in a predetermined order, the above-described regime of processing a liquid medium is repeated until the desired result is obtained. As a result, uniform and active cavitation treatment of the entire liquid volume over the entire cross-sectional area of the working chamber is ensured, which increases the processing productivity and the degree of impact on fluid process media in a continuous flow mode without increasing the size of the ultrasonic exposure section. This does not require a repeated return to the chamber of the processed fluid.

Claims

1. Ultrasonic flow reactor containing a working chamber in the form of a rectangular pipe with inlet and outlet nozzles mounted on the ends of the pipe, ultrasonic transducers mounted externally on two opposite walls of the working chamber, characterized in that the distance between the walls of the working chamber, on which are fixed ultrasonic transducers, equal to λ / 2, where λ is the wavelength of ultrasonic vibrations in the processed liquid medium, while the ultrasonic transducers are fixed along the opposite of the chamber walls in their middle lines are pairwise coaxial, while the pairwise fixed ultrasonic transducers are identical and connected in phase.

2. The ultrasonic flow reactor according to claim 1, characterized in that each pair of coaxially mounted ultrasonic transducers is connected in phase with an adjacent pair.

3. The ultrasonic flow reactor according to claim 1, characterized in that each pair of coaxially mounted ultrasonic transducers is connected in antiphase with an adjacent pair.